第8讲-进程间通信

Ch6 进程间通信●进程内部的模块之间采用参数传递和全局变量的方式实现信息共享●进程之间由于独立地址空间的原因可以采用下列方式进行通信⏹管道（PIPE）⏹消息队列（message queue）⏹信号量（semaphore）⏹共享内存（shared memory）⏹内存映像文件（memory mapped file）⏹UNIX域socket1文件和记录加锁1.1咨询锁（advisory lock）咨询锁只是设置文件上锁状态，并不阻止其他进程访问文件共享锁：多个进程读同一个文件互斥锁：多个进程写同一个文件1.2文件和记录加锁文件加锁：对整个文件上锁记录加锁：对文件的一部分加锁1.3相关数据结构和函数int flock(int fd,int operation)函数参数：fd—打开文件的描述符operation—加锁操作类型●LOCK_SH，共享锁●LOCK_EX，互斥锁●LOCK_UN，解锁●LOCK_NB，上锁时进程不阻塞int fcntl(int fd,int operation,struct flock fl)函数参数:fd—文件描述符operation—加锁操作类型F_SETLK：设置结构flock中制定的锁，如果其他进程已经设置了这个锁，函数立即以错误返回；当flock中的l_type=F_UNLCK时，解锁F_SETLKW：设置结构flock中制定的锁，如果其他进程已经设置了这个锁，函数等待锁被清除，然后继续设置这个锁；可以被中断，返回EINTRF_GETLK：检查是否已经上锁，检查所有的文件锁，直到发现与结构flock中指定的锁有冲突的锁，如果没有找到则将flock结构中的l_type设置为F_UNLCKfl—文件锁结构struct flock{short l_type;//锁类型：F_RDLCK,F_WRLCK,F_UNLCKshort l_whence;//制定l_start开始位置：SEEK_SET,SEEK_CUR,SEEK_ENDoff_t l_start;//加锁位置相对于l_whence的偏移off_t l_len;//加锁长度，0表示到文件末尾pid_t pid;//处理锁的进程后，由getpid得到};锁类型与文件打开模式锁类型文件打开模式F_RDLCK F_WRLCK O_RDONL Y或O_RDWR O_WRONL Y或O_RDWR1.4示例文件加锁代码：文件解锁代码：2管道（pipe）2.1管道概述●单向通道Read管道只能用于父子进程之间通信●函数pipeint pipe(int filedes[2]);函数参数：filedes—返回创建的一对文件描述符，filedes[0]用于读，filedes[1]用于写2.2示例3系统V IPC（进程间通信）3.1概述●UNIX系统V引入了3种进程间通信方法：消息、信号量、共享内存●消息用于进程发送格式化的数据到任意进程；信号量用于进程同步执行；共享内存用于进程间共享内存地址空间●三种进程间通信机制共性如下：☐内核为每种机制维护一个表，表中存储所有的实例（消息、信号量等）☐每个表项有一个数值关键字，该关键字由用户设定☐每种机制都有一个用于“获取”表项的系统调用，用于创建新的表项或得到已有的表项☐每一个表项有一个许可权结构，包含创建该表项的用户ID和组ID，以及文件存取权限☐每个表项还包含若干其他状态信息☐每个机制都有一个用于“控制”的系统调用，用来查询表项状态，设置状态信息或者删除表项函数ftok将一个路径名称和项目标识符转换为一个关键字key_t ftok(char *pathname,char proj);pathname—已经存在的文件的路径名proj—项目标识，通常为任意字符3.2消息3.2.1消息队列数据结构消息队3.2.2相关操作函数●int msgget（key_t key,int msgflag）—根据关键字创建或者获取消息队列●int msgsnd(int msgid,struct msgbuf *msgp,int msgsz,int msgflg)—发送消息到指定的消息队列●int msgrcv(int msgid,struct msgbuf *msgp,int msgsz,long msgtype,int msgflg)—从指定的消息队列获取消息●int msgctl(int msgid,int cmd,struct msgid_ds *buf)—控制消息队列（查询，设置消息队列状态，删除消息队列）●消息队列中消息的数据结构struct msgbuf{long msgtype;char mtext[1];//相当于char *}3.3信号量3.3.1信号量数据结构信号量表信号量数组3.3.2信号量的构成☐信号量的值☐最后一个操作信号量的进程的ID☐等待信号量的值增加的进程数☐等待信号量的值为0的进程数3.3.3信号量操作的相关函数●int semget(key_t kry,int nsems,int semflag)—创建信号量数组，返回信号量数组的标识●int semop(int semid,struct sembuf *sops,unsigned nsops)—操作信号量数组中的任意一个或者若干个信号量●int semctl(int semid,int semnum,int cmd,union semun arg)—控制信号量（设置/读取信号量的值、查询或设置控制参数）3.3.4信号量原理内核根据操作值改变信号量的值，并根据信号量的值决定是否阻塞进程。

☐操作值>0，信号量值+=操作值，唤醒所有等待信号量值增加的进程☐操作值=0，内核检查信号量的值：如果信号量值=0，继续执行其它操作；否则增加等待信号量值为0的进程数，进入睡眠状态☐操作值<0，如果操作值的绝对值小于或等于信号量的值，信号量值+=操作值进程继续；如果操作值的绝对值大于信号量值，进程睡眠并等待信号量值增加，等待信号量值增加的进程数增加3.3.5用信号量实现PV操作☐创建初值为1的信号量☐P操作的操作值为-1，V操作的操作值为1☐访问临界资源时先执行P操作锁定资源，结束时执行V操作释放资源3.4共享内存3.4.1共享内存的数据结构共享内存3.4.2共享内存的原理☐共享进程内存地址空间的一部分，然后对存储在共享地址空间的数据进行读写，从而完成进程间的直接通信。

☐共享内存区是进程地址空间的一部分，不需要使用特殊的系统调用访问，普通的指针操作即可进行访问。

3.4.3共享内存的相关函数●int shmget(key_t key,int size,int shmflg)—建立/获取共享内存区，返回共享内存区标识符●char *shmat(int semid,char *shmaddr,int shmflg)—将一个共享内存区附加到进程地址空间上，返回内存地址●int shmdt(char *shmaddr)—断开一个共享内存区●int shmctl(int shimd,int cmd,struct shimd_ds *buf)—控制共享内存区（查询、设置状态，删除共享内存区）4内存映像文件●内存映像文件技术将文件或设备的部分内容映像到内存中，系统调用mmap完成映像，munmap取消映像●内存映像文件的系统调用⏹void *mmap(void *start,size_t length,int prot,int flags,int fd,off_t offset);返回值：成功返回映像内存的起始地址，否则返回-1参数：start—映像的起始地址，如果为0则由内核自动选择一个地址length—需要映像的数据长度，内核自动向上取整到虚拟内存页面大小的整数倍prot—对内存映像区域的访问权限，应该和打开文件的权限一致flags—指定映像标志是共享或独享offset—映像文件内容开始的位置，必须是虚拟内存页面大小的整数倍⏹int munmap(void *start,size_t length);返回值：参数：start—内存映像的起始地址，mmap的返回值length—内存映像的长度●内存映像文件在多个进程间共享时因该考虑进程同步5UNIX域socket5.1UNIX域socket概述●用于同一台机器上的进程间通信●在同一台机器上，UNIX域socket比TCP socket效率高5.2UNIX域协议地址struct socketaddr_un{short int sun_family;//AF_UNIXshar sun_path[104];//linux系统中的文件名，绝对路径}；UNIX域协议使用路径名来标识服务器和客户端，服务器调用函数bind绑定一个UNIX 域socket时以该路径名创建一个管道文件。

5.3UNIX域socket的使用流程5.3.1使用UNIX域socket的服务器和客户端流程●服务器调用socket创建UNIX域socketint sockfd=socket(AF_UNIX,SOCK_STRAM,0);●服务器调用bind绑定UNIX域socket和指定的地址struct sockaddr_un addr;char path[104]=”/tmp/unix_socket”;bzero(&addr,sizeof(addr));unlink(path);addr.sun_family=AF-UNIX;sprintf(addr.sun_path,”%s”,path);bind(sockfd,(struct sockaddr *)&addr,sizeof(addr));●服务器调用listen转化为侦听socketlisten(sockfd,5);●服务器调用accept接收客户端连接struct sockaddr_un new_fd;new_fd=accept(sockfd,NULL,0);●客户端创建UNIX域socket(同服务器)int sockfd=socket(AF_UNIX,SOCK_STRAM,0);●客户端调用connect连接服务器struct sockaddr_un addr;char path[104]=”/tmp/unix_socket”;int len;bzero(&addr,sizeof(addr));addr.sun_family=AF-UNIX;sprintf(addr.sun_path,”%s”,path);len=strlen(addr.sun_path)+sizeof(addr.sun_family);connect(sockfd,(struct sockaddr *)&addr,len);●客户端和服务器之间利用UNIX域socket进行通信与TCP socket的服务器—客户端通信相同●说明⏹创建的socket是有名的socket，名字为绝对路径⏹用于服务器和客户端之间通信5.3.2使用UNIX域socket pair的父子进程流程●调用socketpair创建两个socket，并连接在一起int sv[2];socketpair(AF_UNIX,SOCK_STREAM,0,sv);●父子进程共享这两个socket，但各自关闭一个socket，只使用一个socket进行通信if(fork()= =0){//子进程close(sv[0]);…exit(0);}else{//父进程close(sv[1]);…}●说明⏹socket是无名的（类似于管道）⏹socket是全双工的。